地質(zhì)前探輕便高效鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

韓必武，姚亞峰，劉亦洋，汪 蕓

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量大[1]，但是地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層松軟，透氣性低，瓦斯含量大，瓦斯壓力高，是全國(guó)聞名的瓦斯重災(zāi)礦區(qū)[2]。在工作面巷道掘進(jìn)時(shí)必須嚴(yán)格遵守“探掘”一體化要求，堅(jiān)持“有掘必探，先探后掘”的原則，并結(jié)合掘巷的實(shí)際狀況進(jìn)行鉆探施工。

為了準(zhǔn)確掌握巷道掘進(jìn)時(shí)前方層位可能出現(xiàn)的瓦斯、水、頂?shù)装宓葹?zāi)害情況，確保采掘工作面的施工安全，防止因地質(zhì)條件不清造成安全生產(chǎn)事故，一般都是通過(guò)使用鉆機(jī)施工前探孔來(lái)進(jìn)行探測(cè)。由于前探鉆孔施工具有過(guò)程短、施工頻繁等特點(diǎn)，鉆機(jī)挪移的工作量很大，因此選擇合適的鉆機(jī)對(duì)安全生產(chǎn)和高效施工有著非常重要的意義。淮南礦區(qū)選擇使用的鉆機(jī)有小型立軸式鉆機(jī)和中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的ZDY3200S型鉆機(jī)。前者雖然機(jī)身輕巧但是功率小，而后者雖然能夠滿足施工前探孔的孔深要求，但其質(zhì)量較大，搬運(yùn)困難。

為了解決上述問(wèn)題，淮南礦業(yè)集團(tuán)與中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司合作研發(fā)了一款輕便高效、適合淮南礦區(qū)地質(zhì)前探鉆孔的鉆機(jī)。

1 鉆機(jī)設(shè)計(jì)

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY1200S型鉆機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)，鉆孔施工能力適中，鉆機(jī)可分為主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)3個(gè)部分(見(jiàn)圖1)，每個(gè)部分的質(zhì)量較小，各部分之間用膠管連接，擺布靈活、解體性好，主要技術(shù)參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)矩1200～320 N·m，額定轉(zhuǎn)速80～280 r/min，鉆桿直徑50/63.5 mm，最大給進(jìn)/起拔力36/52 kN，主軸傾角±90°，主軸通孔直徑75 mm，給進(jìn)/起拔行程650 mm，系統(tǒng)額定壓力21/12 MPa，電動(dòng)機(jī)額定功率22 kW，主油泵排量0～40 mL/r，副油泵排量10 mL/r。

圖1 ZDY1200S型鉆機(jī)

通過(guò)在幾個(gè)礦井的施工應(yīng)用，其鉆進(jìn)能力滿足地質(zhì)前探鉆孔的需求，但也存在液壓系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)較少、夾持器開(kāi)口量較小和挪移較不方便等問(wèn)題。根據(jù)這些不便，將其進(jìn)行了如下優(yōu)化。優(yōu)化后的鉆機(jī)如圖2所示。

圖2 地質(zhì)前探輕便高效鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.1 主機(jī)

主機(jī)由動(dòng)力頭、夾持器、給進(jìn)裝置、機(jī)架和扶正器5個(gè)部件組成。

動(dòng)力頭是鉆機(jī)的主要部件，通過(guò)斜軸式液壓馬達(dá)經(jīng)齒輪減速箱將動(dòng)力傳給卡盤;卡盤通過(guò)進(jìn)出高壓油實(shí)現(xiàn)夾緊或松開(kāi)鉆桿，卡盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

夾持器采用一種新型彈性元件——氮?dú)鈴椈?。氮?dú)鈴椈墒且环N以高壓氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)的新型彈性組件，它具有體積小、彈力大、行程長(zhǎng)、工作平穩(wěn)、制造精密、使用壽命長(zhǎng)、彈力曲線平緩以及不需要預(yù)緊等優(yōu)點(diǎn)[3，4]，是一種具有柔性性能的新一代的最理想的彈性部件。氮?dú)鈴椈傻膹椓η€是一條近似水平的曲線，與行程的變化影響不大，相比較而言，普通彈簧與碟形彈簧等金屬?gòu)椈傻膹椓η€是一根斜線，隨著行程增大而顯著增大，如圖3所示。

圖3 氮?dú)鈴椈膳c金屬?gòu)椈蓮椓η€比較

用氮?dú)鈴椈纱嬖瓉?lái)的碟形彈簧，在不增加夾持器的外形尺寸的情況下，既保證了原來(lái)夾持器的夾緊力，又顯著增大了夾持器的行程。夾持器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

給進(jìn)裝置由給進(jìn)油缸、機(jī)身、拖板和連接裝置等組成。給進(jìn)油缸一端與機(jī)身連接，另一端與拖板相連，通過(guò)油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)拖板前進(jìn)或者后退，實(shí)現(xiàn)鉆桿的給進(jìn)和起拔。

圖4 氮?dú)鈴椈墒綂A持器

機(jī)架由底座、調(diào)角裝置和連接裝置組成。底座設(shè)計(jì)成旱船式結(jié)構(gòu)，并給機(jī)架底部和上部增加一層防護(hù)罩，將其改為封閉式結(jié)構(gòu)。在搬運(yùn)時(shí)這種機(jī)架底座與巷道底板的摩擦力較小，對(duì)于底板高低不平的狀況適應(yīng)性強(qiáng)，有效地減小了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，在機(jī)架的橫梁上增加4個(gè)擋環(huán)，在給進(jìn)裝置安裝到機(jī)架橫梁上后，用擋環(huán)進(jìn)行左右方向的鎖定，防止給進(jìn)裝置在裝配過(guò)程中和鉆機(jī)使用過(guò)程中跑偏，對(duì)調(diào)角油缸產(chǎn)生附加力，影響調(diào)角油缸的壽命，同時(shí)可為給進(jìn)裝置拆裝定位。

扶正器安裝在夾持器前方，以保證打鉆時(shí)鉆桿與鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸的同軸性，扶正器的扶正套可以隨著鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，扶正套與鉆桿之間為滾動(dòng)摩擦，鉆桿磨損小，有助于延長(zhǎng)鉆桿的使用壽命。

1.2 操縱臺(tái)

操縱臺(tái)是鉆機(jī)的控制中心，采用全包圍油管集成式結(jié)構(gòu)，由液壓控制閥、壓力表及管件組成。將操縱臺(tái)內(nèi)部所有管件設(shè)計(jì)為膠管連接，提高了配件的互換性，減少了使用中出現(xiàn)的漏油等缺陷。為了防止搬運(yùn)時(shí)井下雜物對(duì)膠管和液壓閥件的損壞，在操縱臺(tái)的四周安裝有防護(hù)板，防護(hù)板拆卸簡(jiǎn)單，維修方便。操縱臺(tái)接頭采用平面密封快速接頭，拆卸后由于結(jié)合面為平面，可避免外部煤屑進(jìn)入接頭，造成油液污染問(wèn)題。

1.3 泵站

泵站為鉆機(jī)提供動(dòng)力，由電機(jī)泵組、油箱和冷卻器組成。

電機(jī)泵組由防爆電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、主泵、副泵等部件組成。主副泵均為斜盤式柱塞泵。聯(lián)軸器選用梅花形彈性聯(lián)軸器，承載能力高，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便。

1.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)和給進(jìn)參數(shù)可獨(dú)立調(diào)節(jié)的雙泵開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)[5]，操作功能豐富全面，可實(shí)現(xiàn)的工況較多，具有起下鉆聯(lián)動(dòng)、夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)和副泵功能轉(zhuǎn)換3個(gè)功能，不僅方便工人操作還能提高鉆機(jī)的效率，也特別適合于地質(zhì)前探鉆孔鉆進(jìn)。液壓系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的ZDY1200S型鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)

起下鉆聯(lián)動(dòng)功能用于控制卡盤、夾持器與給進(jìn)油缸的聯(lián)動(dòng)和分離，應(yīng)用于起下鉆桿的工況。

夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)功能用于控制卡盤、夾持器與給進(jìn)油缸、馬達(dá)的聯(lián)動(dòng)和分離，應(yīng)用于系統(tǒng)壓力較高工況下，此時(shí)夾持器供油壓力較高，夾持器開(kāi)口較充分，鉆進(jìn)時(shí)不易磨損鉆桿。

副泵功能轉(zhuǎn)換閥用于改變副泵給進(jìn)壓力的調(diào)節(jié)方式，利用副泵供油給進(jìn)有2種方式，即溢流閥給進(jìn)和減壓閥給進(jìn)。溢流閥給進(jìn)適用于鉆進(jìn)所需的回轉(zhuǎn)扭矩較大而給進(jìn)力較小的工況，減壓閥給進(jìn)適用于鉆進(jìn)所需的回轉(zhuǎn)扭矩較小而給進(jìn)力較大的工況。

原ZDY1200S型鉆機(jī)的液壓控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)較少，功能單一，操作不便，自動(dòng)化操作程度低。優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)，主要增加了夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)和卡盤增壓功能，在操縱臺(tái)控制上相應(yīng)增加了夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)功能手把和副泵轉(zhuǎn)換功能手把，豐富了操縱臺(tái)的功能，提高了鉆機(jī)的工作效率，使液壓系統(tǒng)的功能更全面，可實(shí)現(xiàn)的工況較多，也特別適合于地質(zhì)前探鉆孔鉆機(jī)。

2 試驗(yàn)及應(yīng)用

鉆機(jī)試制完成后，在“國(guó)家安全生產(chǎn)西安鉆機(jī)檢測(cè)檢驗(yàn)中心”進(jìn)行空載、負(fù)載和過(guò)載等多項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二礦，共選擇了6個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了鉆機(jī)鉆進(jìn)應(yīng)用，分別為:12223疏水巷(巖巷)、西二A組煤膠帶機(jī)上山上段(巖巷)、－530西二至西四新增軌道大巷西二段(巖巷)、12328下順槽(煤巷)、18224底抽巷聯(lián)巷(立眼)和18428下順槽(立眼)。在 ±90°的調(diào)角范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，共打控層孔65個(gè)，驗(yàn)證孔34個(gè)，總深度5453.6 m。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆機(jī)在地質(zhì)前探鉆孔施工中效率高、完全滿足該類鉆孔的施工需求，并能方便實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)，加快了地質(zhì)前探鉆孔的施工進(jìn)度。

3 結(jié)論

(1)地質(zhì)前探輕便高效鉆機(jī)操作快捷便利，聯(lián)動(dòng)功能提高了鉆機(jī)操作的自動(dòng)化程度，使鉆孔施工更加方便省時(shí)。

(2)夾持器實(shí)際張開(kāi)行程得到了很大提升，扶正器的配合作用，極大地減少了對(duì)鉆具的磨損;泵站整體強(qiáng)度高、冷卻效果好;操縱臺(tái)防護(hù)板對(duì)操縱臺(tái)及操作人員的保護(hù)作用明顯，漏油現(xiàn)象很少，平面快速接頭的使用大大降低了油液污染率;鉆機(jī)外形尺寸小，質(zhì)量輕，連接快捷，主機(jī)旱船式底座使其能較好地適應(yīng)高低不平的路況，搬運(yùn)阻力小，轉(zhuǎn)移方便。

(3)鉆機(jī)鉆進(jìn)能力適合，性能穩(wěn)定，維護(hù)和保養(yǎng)方便，費(fèi)用低，安全性高，能保證滿足穿煤層并準(zhǔn)確控制出煤層位置的要求。

[1] 崔松濤，陸啟均.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤炭資源開(kāi)發(fā)利用分析[J].煤質(zhì)技術(shù)，2012，(4):1 －5.

[2] 淮南礦業(yè)集團(tuán).2009中國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展研究報(bào)告[R].安徽淮南:364－368.

[3] 劉建軍.簡(jiǎn)介模具彈性元件的新秀——氮?dú)鈴椈蒣J].價(jià)值工程，2010，(11):87.

[4] 任雪巖.氮?dú)鈴椈傻慕Y(jié)構(gòu)及在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2000，(12):34 －37.

[5] 姚克，殷新勝，姚寧平，等.ZDY4000S型全液壓鉆機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭工程.2006，(2):77－79.

[6] 胡海峰，陸惠明.ZDY4000BL型液壓鉆機(jī)履帶行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].探礦工程(巖土 鉆掘工程)，2012，39(5):39－41.